基于BIM的公路安全設(shè)計與評價

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京100089）

一、引言

BIM技術(shù)的發(fā)展給公路建設(shè)行業(yè)帶來了一場設(shè)計理念和管理模式的變革，加快了公路設(shè)計領(lǐng)域從傳統(tǒng)二維平面設(shè)計和圖紙交付向三維立體設(shè)計和模型文件交付轉(zhuǎn)變的步伐。然而，由于BIM技術(shù)軟件二次開發(fā)程度不足、公路項目建設(shè)和管理模式落后，使得公路行業(yè)BIM技術(shù)的應(yīng)用推進(jìn)較為緩慢。尤其在設(shè)計領(lǐng)域，公路項目基本采用設(shè)計后翻模應(yīng)用的方式，未能真正體現(xiàn)BIM技術(shù)的應(yīng)用價值。本文結(jié)合BIM技術(shù)和公路工程特點，以公路安全設(shè)計與評價為切入點，開展公路BIM技術(shù)應(yīng)用研究。

二、公路勘察設(shè)計階段BIM技術(shù)應(yīng)用面臨的問題

目前，BIM技術(shù)在公路勘察設(shè)計階段的應(yīng)用主要存在三個問題。

（一）現(xiàn)階段BIM軟件設(shè)計效率較低

目前，市場上的BIM軟件大多從國外引進(jìn)，其操作習(xí)慣和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)差異較大，且本土化開發(fā)程度不足，與傳統(tǒng)二維設(shè)計軟件相比，工作效率不高。

（二）難以滿足二維圖紙成果交付需求

二維圖紙仍是公路項目設(shè)計成果交付的必要條件，而目前BIM類軟件的二維出圖功能相對薄弱，出圖質(zhì)量尚不能完全滿足作為最終交付成果的要求。

（三）BIM技術(shù)對硬件設(shè)備要求較高

BIM模型數(shù)據(jù)體量較大，文件存儲和數(shù)據(jù)處理都需要較高的配置，且應(yīng)用過程中經(jīng)常需要處理超大體量的高清影像數(shù)據(jù)，對硬件設(shè)備的要求比較苛刻。

三、公路二三維設(shè)計數(shù)據(jù)傳遞共享

目前，公路設(shè)計項目95%以上都是采用傳統(tǒng)二維軟件設(shè)計。因此，要利用BIM技術(shù)進(jìn)行公路安全設(shè)計與評價，首先要解決傳統(tǒng)二維設(shè)計文件與三維BIM模型之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的問題。

（一）二維設(shè)計數(shù)據(jù)文件模板定制

不同設(shè)計軟件生成的二維設(shè)計數(shù)據(jù)文件格式差異較大，無法統(tǒng)一讀取，為了更好地擴(kuò)展二維文件的讀取，根據(jù)道路設(shè)計文件特征，對二維數(shù)據(jù)模板進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化定制，包含平面文件、縱斷面文件、超高文件、寬度文件，以及控制文件，模板定義如表1所示。

（二）公路BIM模型自動創(chuàng)建

通過分析傳統(tǒng)二維設(shè)計文件主要控制參數(shù)，對二維設(shè)計文件數(shù)據(jù)模板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定制，實現(xiàn)了多種二維設(shè)計文件的自動識別和數(shù)據(jù)庫寫入，同時，基于BIM基礎(chǔ)軟件和計算機(jī)圖形學(xué)算法，研發(fā)了一套三維公路模型創(chuàng)建方法；然后結(jié)合地形模型、公路結(jié)構(gòu)物設(shè)置情況，實現(xiàn)了方案級公路模型自動生成功能。

表1 二維設(shè)計數(shù)據(jù)模板參數(shù)表

四、基于BIM的運行安全評價和設(shè)計指標(biāo)優(yōu)化

（一）運行速度自動計算和結(jié)果輸出

通過對多種運行速度計算方法進(jìn)行綜合比選，本文在《公路項目安全性評價規(guī)范》（JTGB05-2015）規(guī)定的計算方法基礎(chǔ)上增加了多種參數(shù)標(biāo)定功能，可根據(jù)不同地區(qū)、不同項目特點，設(shè)定不同的關(guān)鍵參數(shù)和計算指標(biāo)，實現(xiàn)了運行速度計算方法的靈活可控、科學(xué)準(zhǔn)確。根據(jù)計算結(jié)果，在BIM軟件中定制開發(fā)了適用于國內(nèi)通用標(biāo)準(zhǔn)的二維圖紙和數(shù)據(jù)表格自動繪制功能，解決了項目二維成果交付問題。

（二）運行速度評價與設(shè)計指標(biāo)優(yōu)化

根據(jù)國內(nèi)規(guī)定的運行速度協(xié)調(diào)性評價標(biāo)準(zhǔn)，提出了運行速度協(xié)調(diào)性智能評價方法，可根據(jù)運行速度計算結(jié)果，自動識別運行速度協(xié)調(diào)性不良路段，并根據(jù)評價參數(shù)對相應(yīng)路段的路線平縱橫設(shè)計指標(biāo)及結(jié)構(gòu)物設(shè)置參數(shù)提出修改建議，而且實現(xiàn)了項目運行速度協(xié)調(diào)性的評價結(jié)果自動輸出。

五、基于BIM的公路三維空間安全優(yōu)化

在傳統(tǒng)設(shè)計中，通過平縱幾何指標(biāo)進(jìn)行運行速度計算，僅對運行速度協(xié)調(diào)性進(jìn)行簡單量化分析。本文利用BIM技術(shù)實現(xiàn)了在三維空間中實時模擬車輛按運行速度動態(tài)行駛，直觀發(fā)現(xiàn)項目地形、結(jié)構(gòu)物、公路線形等空間因素對運行速度變化的影響，快速找出相鄰路段運行速度差值較大或與設(shè)計速度一致性較差的路段，為提高公路幾何線形設(shè)計均衡性和連續(xù)性提供參考。

（一）基于運行速度的車輛行駛狀態(tài)模擬

根據(jù)運行速度計算結(jié)果，利用BIM技術(shù)的可視化特性，快速創(chuàng)建三維道路模型，通過動態(tài)設(shè)置駕駛?cè)说囊朁c高度，真實模擬設(shè)計項目建成后汽車以預(yù)測運行速度行駛的駕駛狀態(tài)。

（二）路域環(huán)境對運行安全的影響評價

在傳統(tǒng)公路項目安全性評價中，僅通過運行速度計算結(jié)果對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析評價，忽略了沿線路域環(huán)境對運行安全的影響。本項目利用BIM技術(shù)創(chuàng)建沿線地形、地物，以及重點結(jié)構(gòu)物等真實的路域環(huán)境，模擬項目建成后的車輛真實運行環(huán)境，以提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，提高安全評價工作效果。

表2 連續(xù)長、陡下坡路段界定標(biāo)準(zhǔn)

六、基于BIM的長大下坡路段汽車安全運行分析

（一）公路長大下坡路段界定標(biāo)準(zhǔn)

《公路路線設(shè)計規(guī)范》（JTGD20-2017）首次明確了高速公路、一級公路長大下坡路段的界定標(biāo)準(zhǔn)，并提出當(dāng)設(shè)計指標(biāo)超過規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)進(jìn)行交通安全評價并加強(qiáng)安全實施設(shè)計。

（二）汽車運行安全性分析

本文采用汽車動力學(xué)理論和能量受恒定律，建立了汽車制動鼓溫度預(yù)測模型，通過測溫試驗得到了汽車以不同制動方式、載重在長大下坡路段上的制動鼓溫度數(shù)據(jù)，該方法能夠客觀反映汽車的安全運行情況。

（三）長大下坡路段設(shè)計指標(biāo)分析

利用BIM軟件二次開發(fā)對公路設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行分析，精準(zhǔn)判定連續(xù)長陡下坡位置及長度。在安全評價分析的公路漫游過程中，當(dāng)行駛位置到達(dá)長大下坡路段樁號時，可主動提示該路段的平縱面指標(biāo)和路段長度等參數(shù)。

（四）汽車制動鼓溫度實時分析計算

在運行速度計算完成以后，系統(tǒng)會根據(jù)運行速度對該路段的汽車制動溫度進(jìn)行實時計算，設(shè)計人員可根據(jù)制動溫度結(jié)果與視距條件良好位置進(jìn)行避險車道等安全設(shè)施設(shè)計。汽車制動溫度的計算結(jié)果數(shù)據(jù)也會在系統(tǒng)后臺進(jìn)行保存，可通過成果輸出功能自動導(dǎo)出該路段運行速度條件下的客、貨車制度溫度測算表和測算圖。

七、結(jié)語

目前，如何利用BIM技術(shù)在勘察設(shè)計階段提高工作效率和技術(shù)質(zhì)量仍是公路BIM從業(yè)者面臨的一大難題。本文以公路安全設(shè)計和評價工作為例，將BIM技術(shù)與公路項目安全性評價工作相融合，利用BIM的自動計算和輔助分析功能實現(xiàn)了二維設(shè)計文件與BIM數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，提出了一套基于BIM的公路安全設(shè)計與評價方法，提高了技術(shù)人員工作效率和安全設(shè)計水平，遠(yuǎn)期還可以與VR技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)虛擬駕駛，對推動公路行業(yè)BIM技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，促進(jìn)勘察設(shè)計技術(shù)變革具有借鑒意義。